In onze vorige blog bespraken we het gebruik van voorspellende modelleringstools om initiële atomaire structuren van potentiële medicijndoelen (bijv. eiwitten) te bouwen en om regio's te verfijnen die niet experimenteel bepaald konden worden (Zie video ). Deze hulpmiddelen omvatten de toevoeging van waterstofatomen en flexibele lussen die soms niet experimenteel kunnen worden opgelost. We hebben dit onderzocht in de context van de cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM) van het SARS-CoV-2 spike (S)-eiwit dat onlangs is gepubliceerd in het tijdschrift Science (DOI:10.1126/science.abb2507).

In deze blog zullen we in detail beschrijven hoe moleculaire modellering en simulatie van verfijnde structurele modellen zoals het SARS-CoV-2 S-eiwit kan helpen bij het genereren van nieuwe hypothesen voor de ontdekking en het ontwerp van vermeende therapieën om COVID-19 te behandelen.

Drugsbinding is afhankelijk van structurele veranderingen

In levende systemen bestaan ​​eiwitten van nature als dynamische entiteiten. Hun dynamiek bepaalt vaak hun functie. De natuurkundige Richard Feynman zei ooit:

“Als we de meest krachtige veronderstelling van allemaal zouden noemen, die ons steeds verder brengt in een poging om het leven te begrijpen, dan is het dat alle dingen gemaakt zijn van atomen en dat alles wat levende wezens doen kan worden begrepen in termen van het wiebelen en wiebelen van atomen.” ¹

Het SARS-CoV-2 S-eiwit vormt geen uitzondering op het principe van Feynman. Voordat het S-eiwit menselijke cellen binnendringt, bindt het een receptor die angiotensine-converting enzyme 2 (ACE2) wordt genoemd. ² Het receptorbindende domein (RBD) maakt deel uit van het S-eiwit dat ACE2 bindt (Figuur 1A ). De RBD kan in ten minste twee primaire conformatietoestanden voorkomen, de opwaartse (receptor-toegankelijke) en neerwaartse (receptor-ontoegankelijke) toestanden (Figuur 1B ). Wanneer de RBD in de up-toestand is, is het S-eiwit meer "open" om de binding van ACE2 te vergemakkelijken. ² Studies hebben gesuggereerd dat de down, receptor-ontoegankelijke toestand, stabieler is. ² Dit houdt in dat vermeende therapeutische middelen, zoals kleine organische moleculen die in staat zijn om RBD te binden, de RBD in de neerwaartse toestand zouden kunnen stabiliseren en voorkomen dat het virus een interactie aangaat met ACE2; dus voorkomen dat COVID-19 mensen infecteert.

De RBD van het S-eiwit is als een scharnier op een deur

Een flexibele linker verbindt de RBD met het resterende S-eiwit. De flexibiliteit van de linker stelt RBD in staat om van de neerwaartse naar de opwaartse toestand over te gaan door middel van een scharnierbuigende beweging (Figuur 1B ). Van het SARS-CoV-2 S-eiwit hebben we de RBD geëxtraheerd met de bijbehorende flexibele linker en het aangrenzende domein (Figuur 1C ). We gebruikten de RBD-structuur van het S-eiwit in de up-state (PDB 6VYB), maar deze structuur mist drie lussen die mogelijk belangrijk zijn voor het binden van ACE2 (Figuur 1C ). Als resultaat moesten we een homologiemodel van de RBD met de flexibele linker bouwen met behulp van de cryo-EM-structuur waaruit de afknotting oorspronkelijk was gemaakt (PDB 6VYB) met een extra sjabloon. De extra template was de kristalstructuur van de RBD alleen in complex met ACE2 (PDB 6M17) (Figuur 1A ).

De RBD-structuur bevat lussen met één meer dan 20 aminozuurresiduen, die niet aanwezig zijn in de open toestandstructuur (VOB 6VYB). Twee van deze lussen vormen de interactie met ACE2; dus homologiemodellering is noodzakelijk om de interacties van het Spike-eiwit te begrijpen. We kunnen dan waterstofatomen in geschikte protoneringstoestanden toewijzen om fysiologische omstandigheden zoals pH na te bootsen.

We zouden dan een moleculaire dynamica (MD)-simulatie kunnen uitvoeren om de conformationele overgang te simuleren en/of mogelijke bindingsplaatsen te voorspellen waar vermeende kleine moleculen kunnen binden om de interactie van het S-eiwit met ACE2 te verstoren. Toen we mogelijke bindingsplaatsen voorspelden met behulp van BIOVIA Discovery Studio voor ons homologiemodel van de RBD met de flexibele linker, identificeerden we een bindingsplaats die zich bij het scharnier van de flexibele linker bevindt (Figuur 1C ). We bestempelden deze regio als het scharnier en merken op dat het de moeite waard is om verder te onderzoeken voor de ontdekking van vermeende therapieën. Als een klein molecuul zich zou binden aan het scharniergebied, zou het mogelijk de RBD in een neerwaartse toestand kunnen vergrendelen en zo ACE2-binding voorkomen.

Verdere onderzoeken

Uitgebreide onderzoeken, waaronder computationele voorspellingen en biologische experimenten, kunnen het nut van het scharniergebied verder verduidelijken. Voorbeelden van computationele voorspellingen zijn normal mode analysis (NMA) en/of MD-simulatie. ³ Een lange tijdschaal, ongeveer honderden nanoseconden, van MD-simulatie zou wetenschappers bijvoorbeeld in staat kunnen stellen meerdere conformaties van het scharniergebied te bemonsteren.

Aan de andere kant zou een NMA een grove en snelle schatting kunnen geven van de conformationele overgangen. ³ Specifieke conformaties van de MD-simulatie en/of NMA zijn uitgangspunten voor virtuele screening met hoge doorvoer van potentiële databases met kleine moleculen. Wetenschappers konden elk klein molecuul aanleggen en scoren voor alle conformaties. Ze konden vervolgens alle resulterende poses rangschikken en de beste hits indienen voor experimentele validatie. Studies hebben aangetoond dat deze methode van computergestuurde ontdekking van geneesmiddelen, vaak aangeduid als ensemble-based virtuele screening, de kansen vergroot om kandidaat-geneesmiddelen te identificeren. ⁴ De methode weerspiegelt ook de realiteit dat medicijnbinding afhangt van structurele veranderingen in het eiwit, zoals hierboven vermeld. Wij zijn van mening dat de voorlopige resultaten die hier worden geïdentificeerd interessant zijn en nader onderzoek waard zijn.

Ten tweede willen we opmerken dat het geraffineerde structurele model van het S-eiwit bruikbaar zou kunnen zijn als doelwit voor immunotherapeutica. ⁵ Wetenschappers zouden monoklonale antilichamen kunnen ontwerpen die binden aan de SARS CoV-2 S-eiwitten op basis van voorkennis van de ACE2-bindingsplaats. Ze zouden dan in silico kunnen optreden affiniteitsrijpingsonderzoeken om de bindingsspecificiteit te verbeteren. ⁶

Als actieve supporter van de wetenschappelijke gemeenschap die vandaag samenwerkt aan COVID-19-oplossingen, ontwikkelt BIOVIA Dassault Systèmes BIOVIA Discovery Studio. Deze bewezen life sciences-modellerings- en simulatieomgeving brengt meer dan 30 jaar peer-reviewed onderzoek en in silico van wereldklasse samen technieken. De software biedt wetenschappers een complete toolset voor gebruik van doelidentificatie tot leadoptimalisatie, inclusief tools voor biologisch ontwerp en analyse, klassieke simulaties, op structuur en fragment gebaseerd ontwerp, virtuele ligandscreening, evenals ADME en toxiciteitsvoorspelling.

Als onderdeel van de maatschappelijke verantwoordelijkheid van Dassault Systèmes biedt BIOVIA met genoegen in aanmerking komende academische onderzoeksgroepen die betrokken zijn bij SARS-CoV-2-gerelateerde onderzoeken een gratis licentie van zes maanden voor BIOVIA Discovery Studio om hen te helpen bij het zoeken naar snelle, veilige en effectieve kandidaat-geneesmiddelen tegen het SARS-CoV-2-virus. Als u een academische onderzoeker op dit gebied bent, vraag dan een softwarelicentie aan en download deze. Deze aanbieding loopt tot en met 30 juni 2020.